一种用于椎弓根螺钉置入的脊柱机器人辅助导航系统

摘要

本文介绍了一种使用机器人辅助导航系统进行机器人辅助椎弓根螺钉置入的标准化外科手术技术。我们提供了一个逐步操作方案，并描述了该手术流程及注意事项。

摘要

椎弓根螺钉植入术具有良好的治疗效果，常被外科医生用于脊柱融合手术中。然而，由于人体解剖结构复杂，该手术操作难度较大，尤其在微创手术或存在先天性异常及脊柱后凸侧弯畸形的患者中更具挑战性。除上述因素外，外科医生的手术经验与技术水平也会影响患者术后的恢复情况及并发症发生率。因此，如何准确实施椎弓根螺钉植入一直是外科医生与患者共同关注的重要课题。近年来，随着技术的发展，机器人辅助导航系统逐渐得到应用。这些机器人辅助导航系统可为外科医生提供完整的术前规划。系统可生成每个椎体的三维重建图像，帮助医生更快地了解患者的生理特征；同时还提供矢状面、冠状面、轴状面及斜位的二维图像，使医生能够精确制定椎弓根螺钉的置入方案。

既往研究已证实机器人辅助导航系统在椎弓根螺钉植入手术中的有效性，包括准确性与安全性评估。本逐步操作方案旨在为机器人辅助椎弓根螺钉置入提供标准化的手术技术说明。

引言

在脊柱外科领域，脊柱融合术是一种基础性外科手术，尤其是后路椎弓根螺钉固定术，可提供椎体的三柱支撑，增强生物力学强度，因此已成为最常用的手术方法之一¹。在许多早期研究中，后路椎弓根螺钉植入的临床效果已得到证实，并已广泛应用于多种不同脊柱疾病的手术治疗，如退行性、创伤性及复杂的脊柱病变²。

然而，尽管腰椎后路融合手术能够取得良好的治疗效果，但由于人体解剖结构复杂，该手术仍存在风险。椎弓根附近有许多重要的组织结构，如中枢神经系统、神经根和主要血管。手术过程中若损伤这些组织，可能引发严重的并发症，例如血管损伤、神经功能缺损或螺钉松动^2,3。此外，外科医生和手术团队会暴露于额外的辐射中，尤其是在微创脊柱手术中尤为明显⁴。在经历长时间且繁琐的脊柱手术操作（如螺钉置入、骨切除和神经减压）后，外科医生可能会出现疲劳和手部震颤⁵。

椎弓根螺钉置入手术的不满意率促使人们提出在脊柱手术中应用机器人辅助导航系统，以提高手术准确性和患者安全性。多项关于机器人辅助导航系统的研究表明，该技术可提高椎弓根螺钉置入的安全性、准确性和精确性，同时减少辐射暴露和手术时间

方案

所有操作均遵循中国台湾大学医院（NTUH）研究伦理委员会（REC）的伦理标准以及1975年《赫尔辛基宣言》（经最新修订版本）的规定。若计划开展进一步的临床试验，必须从所有患者处获得知情同意。

注意：麻醉过程可分为三个步骤：术前评估、术中管理和术后管理。在术前评估期间，应收集所有患者资料，包括详细的病史和体格检查，并且医护人员应识别患者的合并症及其对麻醉管理的影响。应进行详细的气道检查，并且医护人员应了解各种麻醉选择，以制定基本的麻醉管理方案。在术中管理期间，麻醉医师应检查麻醉机的基本功能，并应用美国麻醉医师协会推荐的基本生理监测设备，包括脉搏血氧仪、心电图监测仪、无创血压监测装置、体温监测仪、气道管理选项、诱导药物的药理学知识以及麻醉诱导期间的适应证。术中事件，如低血压、高血压、低氧血症和少尿，必须被及时识别、评估和处理。此外，医护人员必须能够判断患者何时达到拔管标准。

1. 术前设置与规划

注意：手术过程中应使用无菌手术单，以防止与未准备区域接触，并维持手术区域环境表面、设备及患者周围环境的无菌状态。为降低病原体向患者和手术团队传播的风险，手术团队在手术期间应在刷手服外穿戴无菌手术衣。

1. 移除手术区域中可能影响透视成像的所有组件；具体操作需根据每位患者的个体化手术方案而定。
2. 麻醉完成后，将患者置于俯卧位，并按手术要求进行准....

结果

多项研究已探讨了机器人辅助椎弓根螺钉置入的安全性和准确性^6,11。在本方法中，我们通过光学跟踪系统将椎骨与术前规划图像进行匹配。在确定规划的手术路径后，该信息通过手柄控制单元传输至手术手柄。导航系统整合跟踪信息，并在手术过程中将其显示在监视器上。此外，屏幕还会显示脊柱上的进入路径以及手术器械的位置。

在我们之前的研究¹²中，通过PSNS在30个猪椎骨上共置入59枚螺钉，总体螺钉位置偏差率为1.7%（图8）。使用PSNS时手术过程顺利，并通过术后CT扫描评估了这59枚椎弓根螺钉。根据Gertzbein–Robbins分类标准¹²，51枚螺钉（86.4%）属于A组，7枚螺钉（11.9%）属于B组，1枚螺钉（1.7%）属于E组。未发现脊髓腔穿孔或其他主要血管损伤，所有椎弓根螺钉均位于安全区域内。我们以60 Hz的频率记.......

讨论

自1990年以来，机器人在手术中的应用取得了迅速发展。现有的机器人技术已得到优化，显著提高了手术精度，克服了人手震颤的问题，并缩短了导航系统的配准时间¹⁵。手术机器人辅助的优势包括：（1）无需经历漫长的学习过程即可实现操作的即时标准化；（2）外科医生能够通过用户界面在基于CT的图像上精确执行术前规划；（3）减少外科医生和手术团队的辐射暴露；（4）提高手术精度，尤其是在面对复杂解剖结构或复杂的翻修手术时尤为显著。

尽管椎弓根螺钉的使用已得到广泛认可，但徒手置入椎弓根螺钉的技术在很大程度上依赖于解剖标志、影像引导以及外科医生的经验。即使由经验丰富的外科医生操作，植入物位置不当的发生率仍处于5.1–31%之间，这已在多项综述研究中有所描述^3,16。许多外科医生在评估螺钉位置准确性时可接受2至3 mm之间的偏差，因为此类偏差极少引起临床症状。Lonstein等人在其荟萃分析研究中报告，在4,790枚螺钉中有5.1%穿破皮质骨，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
动态参考框架	POINT
FF 工具包： 1. 连接杆 2. 组合夹具 3. 多针夹具 4. Schanz 螺钉 5. 棘突夹具 6. 开口扳手 7. 六角扳手	POINT
手柄	POINT
手柄支架	POINT
手柄架	POINT
K 型针	POINT
光学追踪器	NDI
被动球体	NDI
探针	POINT
无菌盒	POINT
无菌铺巾	POINT
套管针	POINT
工作站推车	POINT